甘蔗渣纤维素的制备及其对氧化淀粉薄膜性能的影响
2018-11-10 15:57:35
甘蔗(Saccharum officinarum)是重要的糖类经济作物之一,制糖后生成甘蔗渣,甘蔗渣富含粗纤维,通常供糖厂本身作为燃料烧掉或废弃,造成资源的浪费.随着人们对环境污染的高度关注,如何充分地利用食品加工废弃物成为研究的热点.甘蔗渣可以作为真菌栽培的有机质,也可以作为饲料、生产酒精的原料或者燃料等,由于技术手段的落后,甘蔗渣的利用率低.但是,以处理后的甘蔗渣作为高聚物的填料用于制备木塑复合材料,是当代甘蔗渣高值化利用途径之一.
淀粉具有可完全降解、来源广泛、价格低廉、生物相容性好等优点,广泛应用于可再生薄膜的制备,但普通淀粉又存在耐水性差、脆性大等缺点,而通过改性后可调控淀粉基大分子的物理化学性质,从而改善薄膜的性能.淀粉经氧化后,具有糊化温度低、粘度低、透明度高、稳定性好等优点,制成的薄膜强韧、清晰、连续.但氧化淀粉薄膜在实际应用中仍然存在许多局限性,例如其力学和阻隔性能不好等,需要加入强化剂.
为此,本文以玉米氧化淀粉为原料,以甘蔗渣纤维素为增强剂,甘油为增塑剂,研究增强剂和增塑剂添加量对氧化淀粉薄膜性能的影响,为淀粉基可降解薄膜和甘蔗渣的开发利用提供参考.
实验仪器
新型密封式粉碎机(XL-04B型,广州旭众食品机械有限公司);微射流纳米均质机NanoDeBEE30-4(美国BEE公司);离心冷冻干燥机(CVC FD8-6型,美国SIM公司);高剪切分散乳化机(FM200型,上海市弗鲁克有限公司);质构仪(TMS-Pro型,美国FTC公司);可见光光度计(722型,上海元析仪器有限公司);电子显微镜(SU1510型,日本日立有限公司).
实验材料
市售甘蔗榨汁后,100℃烘干至水分低于5%,粉碎后过80目筛;玉米淀粉,购自上海国药有限公司;亚氯酸钠为分析纯,购自上海阿拉丁试剂有限公司;氢氧化钠、次氯酸钠、冰醋酸、亚硫酸氢钠等均为分析纯,购自上海展云化工有限公司.
方法与结果
称取10g甘蔗渣粉末于250mL烧杯中,加入150mL4%(w/v)NaOH溶液,在80℃下搅拌2h水解,抽滤,去离子水反复清洗残渣,直至滤液呈中性.取10g残渣置于500mL三角锥形瓶中,依次加入320mL去离子水、3g亚氯酸钠和20滴冰醋酸,在70℃～80℃下加热1h,并不断摇晃锥形瓶使样品充分均匀反应,抽滤,洗涤,直至滤液呈中性,除去样品中残存的木质素.将漂白处理后的样品配制成0.5%(w/v)的纤维素浆液,在室温下用高压均质机对纤维素浆液进行高压均质处理,先在80Mpa的压力下均质1次,然后再在160Mpa的压力下连续均质5min,较后将均质样品预冻后干燥,既得甘蔗渣纤维素,用密封袋收集,密封保存备用.
称取180g玉米淀粉(以干基计算)于500mL烧杯中,加入250mL蒸馏水调成40%的淀粉乳,用5%(w/v)NaOH调节pH 至9.0,放置于45℃恒温水浴锅中,搅拌碱化45min,再加入140g次氯酸钠,恒温反应8h.较后加入4g亚硫酸氢钠,用5%的HCl中和pH至6.5～7.0,水洗干燥,制得氧化淀粉.
称取不同质量甘蔗渣纤维素于250mL三角锥形瓶,加入130mL去离子水,磁力搅拌器搅拌40min,加入10g玉米氧化淀粉,调成不同浓度的纤维/淀粉乳,在90℃下搅拌糊化1h,加入适量甘油继续搅拌反应1h,匀浆、脱泡,取25mL成膜液于塑料板(12cm×12cm)上流延成膜,在40℃下干燥24h,揭膜,置于放有饱和溴化钠溶液的干燥器内恒湿后备用.
甘蔗渣经高压均质处理后,彻底地破坏了其细胞结构,从而使纤维可以成功地从甘蔗渣的细胞壁中释放出来,而且,高压均质处理能够让单根纤维从纤维素中分离出来,从而使它们的直径可以相应减小,由于氢键的作用,纤维素相互交联在一起.蔗渣纤维素添加量的增加,膜的拉伸强度不断增强,当甘蔗渣纤维素含量为4%时,薄膜的拉伸强度达到39.53Mpa.但当纤维添加量过4%时,薄膜拉伸强度随着纤维含量的增加反而下降.这是因为纤维的强度很高,当其添加量低于4%时,可通过静电作用和氢键作用使高强度的纤维与玉米氧化淀粉之间形成增强的网络结构,它在外力的作用下能起到一定的承载作用,并使淀粉分子链之间不易发生滑动,从而提高淀粉薄膜的拉伸强度;但当甘蔗渣纤维素含量过4%时,纤维在淀粉薄膜中含量较高,在基体玉米氧化淀粉中分散不好,发生团聚现象,从而降低甘蔗渣纤维素的分散性,在外力作用下纤维的团聚区域应力集中过度,大大过应力的平均值,导致玉米氧化淀粉薄膜的拉伸强度降低.
结果表明,通过改变甘蔗渣纤维的添加量可以改变复合膜的机械性能、透光率和降解时间.当纤维素含量小于4%时,薄膜的拉伸强度和降解时间随着纤维素含量的增加而不断增强,而断裂伸长率和透光率不断下降;甘蔗渣纤维素含量为4%时,薄膜的拉伸强度和降解时间都达到大至,断裂伸长率达到较低;当纤维添加量过4%时,薄膜拉伸强度和降解时间随着纤维含量的增加反而下降,断裂伸长率和透光率不断增加.适当的添加甘蔗渣纤维素可以改善玉米氧化淀粉膜的综合性能.
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